Идея УМ заманчива, но… недостижима!

Пути технического прогресса неисповедимы. Казалось бы, уж лет сто, как окончательно и бесповоротно победил переменный ток. Но сторонники постоянного тока не унимаются. И не из-за простого упрямства. Судите сами. Двигатель переменного тока — дешевая и надежная машина. Однако не любит переменных режимов. И без них не обойтись. Например, мотору электровоза приходится изменять скорость и крутящий момент в десятки раз. Идет состав в гору — крутящий момент максимален, а скорость мала, едет по горизонтальной дороге — наоборот, скорость велика, а крутящий момент во много раз меньше.

Работать в таких условиях двигатель переменного тока просто не может. А вот двигатель постоянного тока легко с ними справляется. Но к сожалению, у него есть очень ненадежное место — коллектор и щетки. Те же, что и у моторчика от плейера. Однако плотность тока и напряжение в плейере малы, потому и не доставляют никаких хлопот.

При мощностях же 5–7 тысяч киловатт, которые нужны прокатным станам и электровозам, щетки приходится часто менять, да еще чистить и протачивать коллектор…

Возни не оберешься! Хотели бы инженеры сделать двигатель помощнее раз в десять, да не рискуют. Может случиться, что большую часть времени он будет простаивать в ремонте. Вот и задумались над проблемой: а нельзя ли построить его вообще без коллектора? Думают уже лет сто, но еще не построили.

К сожалению, все попытки создания таких агрегатов обречены на неудачу по чисто теоретическим причинам, известным еще со времен Фарадея.

Русский ученый Б.Якоби создал первый в мире электромотор, в котором действие электромагнитных сил непосредственно преобразовывалось во вращение. С ним схожи все современные. Из его схемы можно понять, что для непрерывной работы электромотора необходимо переключающее устройство. Ведь после подключения к источнику тока катушки притянутся к полюсам магнита и застынут в таком положении до тех пор, пока не будет изменено направление тока. Тогда сменится полярность магнитного поля. И они, оттолкнувшись от полюсов магнита, сделают еще пол-оборота и опять застынут в новом устойчивом положении. Словом, для работы электромотора требуется устройство, превращающее постоянный ток в переменный. Ничего лучше коллектора для этого пока не придумали.

Якоби первым обратил внимание на то, что генератор превращается в электромотор, если через него пропускать ток. Обмотки генератора постоянного тока вырабатывают ток переменный, а в постоянный он превращается при помощи коллектора. Таким образом, машины постоянного тока (моторы и генераторы) «сходны до наоборот». Но беда у них одна.

Коллектор и щетки ограничивают мощность. Были попытки создать генераторы постоянного тока без щеток, но и они оказались безрезультатными.

Дело в том, что ток в контуре возникает от изменения текущего сквозь него магнитного потока. Пусть, к примеру, магнитный поток равномерно увеличивается. Неограниченно возрастать, как и все в нашем мире, магнитный поток не может, когда-то его рост должен закончиться, не правда ли? И тогда ток в контуре прекратится. Далее возросший пусть до «космических размеров» магнитный поток начнет уменьшаться, в контуре начнет индуцироваться ток, но уже другого направления. Чтобы во внешней цепи постоянный ток не менял направления, применяют коллектор — своеобразный механический выпрямитель.

Однако существуют открытые еще Фарадеем униполярные машины постоянного тока, в которых, на первый взгляд, коллектор отсутствует, хотя щеточный узел имеется. На рисунке 1 представлена схема такой машины.

Она имеет как бы один полюс, потому ее и называют униполярной, а соответствующее наведение ЭДС — униполярной индукцией. В этой машине сам диск представляет собой коллектор или коммутатор. Мысленно разрежем диск на ряд секторов. Они-то по мере вращения и вступают в контакт со щеткой и ведут себя как провод, пересекающий неподвижное (ибо магнит-то неподвижен!) магнитное поле. Возникает, как и положено, ЭДС. Поскольку направление и скорость движения секторов постоянны, то направление и величина ЭДС в них одинаковы. Так же постоянен ток в цепи униполярного генератора. Мысленно увеличивая число секторов диска до бесконечности, можно понять, почему так происходит.

Такое объяснение удобно для расчета, но в физическом отношении не полно.

Отметим еще одну принципиальную схему, которая была применена Фарадеем. Если взять вращающийся магнит (с круглым сечением) и соединить его с контуром (рис. 2) таким образом, чтобы один конец контура касался середины северного полюса, а другой — с помощью скользящего контакта магнита в нейтральной его плоскости, то в контуре будет наводиться ЭДС.

Все исходящие из магнита индукционные линии в силу симметрии находятся в плоскостях, проходящих через ось магнита. При вращении магнита вокруг своей оси число индукционных линий в контуре не увеличивается и не уменьшается независимо от того, считать ли силовые линии вращающимися вместе с магнитом или неподвижными относительно него. Поэтому, казалось бы, в контуре не должна наводиться ЭДС, но она наводится, что легко проверить прибором.

Это явление объясняется тем, что в контур вносятся все новые элементы длины. Если часть контура заменить неподвижным проводником, то действительно никакой ЭДС не наблюдалось бы. Но в контур входят части, которые постоянно по мере вращения магнита замещаются новыми элементами поверхности магнита. Именно эти элементы и пересекают индукционные линии поля, образуя ЭДС.

Униполярная индукция обратима: если в неподвижный контур включить какой-нибудь источник тока, обеспечив замыкание его через диск, то получим униполярный мотор. Так же можно заставить вращаться магнит, включив в цепь контура источник.

Униполярные машины могут быть приемлемы в техническом отношении по величине напряжения лишь при очень больших скоростях — на пределе механической крепости материала диска, подвергающегося разрывной силе.

Ввиду того, что «снимать ток» при таких больших скоростях с помощью скользящего контакта весьма трудно, да и из-за низкого КПД, униполярные машины распространения не получили. Такие машины в установках на 6 — 40 В конструировались в основном для целей электролиза. Однако нынче они не способны конкурировать с современными преобразователями.

Г. ЧЕРНИКОВ , к.т.н.

Сегодня УМ переживает вторую молодость

Какими же они представляются современникам?

На рисунке 1 приведена конструкция УМ с цилиндрическим ротором.

В принципе ротор можно сделать из меди, но предпочитают стальной. Он лучше концентрирует силовые линии магнитного поля, ЭДС получается намного выше, а машина в целом гораздо легче. Однако на такой ротор действует в осевом направлении большая сила магнитного притяжения. Поэтому и ротор, и статор делят на две части таким образом, чтобы магнитные силы были противоположны и компенсировались.

В униполярной машине и токи и поля постоянны, поэтому вихревых токов нет, потому как ротор, так и статор выполняются сплошными.

Помимо простоты производства появляется еще одно преимущество. КПД униполярной машины независимо от размеров близок к 100 %. Для сравнения отметим, что КПД генератора постоянного тока мощностью менее 500 Вт сегодня составляет 50–70 % в основном из-за потерь на вихревые токи. Но униполярная машина — это, грубо говоря, машина с обмоткой из одного витка. Потому она и дает относительно низкое напряжение — не более сотен вольт. Сила тока здесь достигает сотен тысяч ампер, и при этом он строго постоянен, практически лишен пульсаций. В этом есть свои плюсы и минусы. Плюс — в том, что можно получить ток такой силы. Минус — ток низкого напряжения невозможно передавать на большие расстояния. Потому униполярные генераторы ставятся там, где такая передача не требуется, например, электролитические производства.

Постоянный ток без пульсаций позволяет вести химические процессы с меньшей затратой энергии. На рисунке 2 — агрегат из паровой турбины и шести униполярных генераторов на ток 150 000 А и общее напряжение 400 В.

Обычные угольные щетки для снятия столь больших токов мало пригодны. В месте их соприкосновения с поверхностью ротора происходит нагревание и износ. Остроумно решил эту проблему в 1908 году профессор Б. Угримов. В его генераторе обод ротора был охвачен контактным кольцом, а между кольцом и ротором залита ртуть.

Получился жидкий контакт, который идеально соприкасается с обеими поверхностями и принципиально не может быть разрушен. В качестве ротора профессор взял диск от паровой турбины и раскрутил его другой турбиной до 8000 оборотов в минуту. Напряжение на роторе достигало 55 В. Поскольку в генераторе было два соединенных последовательно ротора, то был получен ток напряжением 110 В при мощности 120 кВт.

В те годы постоянный ток такого напряжения применялся для снабжения жилых домов. Поскольку передавать его на большие расстояния было невозможно, то часто для нескольких домов сооружали небольшие электростанции. Применение генератора Угримова обеспечивало почти двукратную экономию топлива. Но уже наступала эпоха переменного тока. И УМ были вытеснены.

Но с тех пор униполярные генераторы часто строят с жидкометаллическими контактами. Однако вместо ядовитой ртути используют сплавы калия с натрием, которые остаются жидкими до минус двенадцати градусов.

На рисунке 3 приведен разрез генератора мощностью 25 000 кВт с силой тока 550 000 А, предназначенный для производства алюминия. Ток в нем снимается с помощью калий-натриевого сплава. В корпус генератора под давлением закачан аргон.

Каковы же перспективы униполярных машин? Начнем с того, что при всех равных условиях: скорость вращения, сила тока и напряжение — УМ легче коллекторной. А при использовании жидкометаллических контактов превосходство их еще разительнее. Конечно, такие контакты неудобны. Ртуть ядовита, а сплав калия с натрием пожароопасен. Возможно, им найдут замену, например, сплавом Вуда. С таким его недостатком, как температура плавления +6°, кажется, легко примириться.

Сегодня в униполярных машинах начинают применять сверхпроводящие обмотки. Они легче, чем катушки с железным сердечником. А создаваемые ими поля во много раз сильнее. Соответственно снижаются вес и размеры.

Но сверхпроводимость пока достигается лишь при температурах жидкого азота или водорода. Ее применение оправдано лишь в двигателях и генераторах больших мощностей. Для малых же мощностей будут полезны мощные магнитные сплавы на основе редкоземельных элементов. С ними УМ значительно превзойдут обычные по простоте изготовления и КПД.

Несмотря на то что методы технического расчета униполярных машин разработаны, принцип их работы до конца не ясен. Вот пример. В случае вращения магнита вместе с ним вращаются и его силовые линии, наводя ток во внешней цепи. Но что такое силовая линия? Во всех теоретических расчетах они представляются как замкнутые линии, продолжающиеся и внутри магнита. Академик В. Миткевич полагал, что это некие замкнутые материальные образования. Но под нагрузкой поле УМ подобно полю прямого и кругового токов. Как выяснил И. Тамм, если соотношение этих токов будет выражаться иррациональным числом, то силовые линии магнитного поля такой машины перестают быть замкнутыми. Превращаются в бесконечный клубок, заполняющий все пространство. Казалось бы, пусть себе заполняет, но тогда рушатся законы электродинамики.

Униполярные машины обратимы. Генератор превращается в мотор, если по нему пропустить постоянный ток. Такие моторы известны. Как и в любом двигателе, если начать тормозить его вал, статор начинает проворачиваться.

Но попыток превращения в двигатель генератора, состоящего из одного лишь магнита, не известно. Интересно, какова у такого двигателя механическая реакция статора? Особенно если учесть, что явно выраженного статора у него нет. Создается впечатление, что униполярная индукция — это та область, в которой при помощи скромнейших средств можно и сегодня сделать фундаментальные открытия.

Для тех, кого заинтересуют эти вопросы, рекомендуем книгу: А.И. Бертинов, В.Л. Алиевский, С.Р. Троицкий. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом . М-Л., 1966. В книге разобраны примеры расчета УМ. Несмотря на обилие формул, она читается, как роман!

А. ИЛЬИН